中央大學機械工程學系學位論文
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現今單晶矽加工大多使用電化學加工法且電解液幾乎以氫氟酸或氟化氨相關溶液，其加工成本高並更容易造成人員及環境的危害，本研究提出以氫氧化鈉為電解液進行電化學放電加工，能有改善上述問題及增進加工效率。利用線放電研磨加工法製作方錐螺旋刀具電極，刀具電極的兩側平行面的外形特性，可減少側邊放電過切現象及保有一半螺旋面以增加電解液循環，可有效的提升加工效率及加工精度並利用螺旋刀具電極加工不鏽鋼/矽晶太陽能材料亦有相當優良得加工品質。從實驗結果得知，由於方錐螺旋刀具電極外形特性，大幅減低了氣泡堆積微孔的入口處的現象、減少熱影響區產生，而螺旋刀具電極，雖然具有足夠的螺旋面能增加電解液循環，但受限於兩側曲面螺旋外形的影響導致影響加工效率；並且由於方錐螺旋刀具電極前端鑽頭的外形，不會產生像螺旋刀具電極在較平整的端面處放電火花分散對在工件初始加工時微孔入口形成擴孔喇叭口的狀態。最後結合脈衝電壓及方錐螺旋刀具電極的加工方式與直流電壓及螺旋刀具電極加工效率相互比較下，大幅的減少加工時間及刀具電極消耗量，獲得較高精度之單晶矽微孔。 銅電鍍技術，因其操作簡單、安全且價格低廉，所以大量應用電子元件層間連接方式，但大多以通孔、盲孔為主要的研究課題，本研究提出ㄧ種新型的電極轉動電鍍法，利用電化學放電鑽孔完成孔洞製作後，更新電解液為電鍍液，更換電極極性，改變為電鍍裝置，將製孔、電鍍結合於同ㄧ製程中，利用刀具電極通入孔內實施轉動，實施中空孔電鍍加工，製作中孔電鍍孔，能有效改善導電、散熱及元件裝配之功用，以提高加工效率及電鍍孔於工業上的應用。從實驗結果得知，刀具電極通入孔內加工能增加電鍍液循環效率確實比無刀具電極通入孔內加工，能獲得更佳的銅電鍍沉積效果，最後在加工條件為加工電壓0.3V、加工時間60min、刀具電極轉速100rpm時，能製作出鍍層平坦均勻、填孔效果佳的中空電鍍孔。
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本研究以自行開發的新型磁力研磨法為研究主軸，應用行星式運動結合二維振動輔助磁力研磨(PM-2DVAMAF)的機制於不鏽鋼材料上進行拋光。 首先探討二維振動輔助對於MAF的影響，以及針對各加工參數的特性進行研究。結果顯示，二維振動輔助磁力研磨(2D VAMAF)的機制可以使工件的表面與磁極的旋轉加工方向形成緻密的交叉加工痕跡，因此可以提高研磨效率與精度。實驗證明，振動輔助磁力研磨加工在最適參數組合下，能於5分鐘內有效改善不鏽鋼表面粗糙度由Ra 0.13μm改善至0.03μm，改善率達77%。 進一步利用行星式運動結合二維振動輔助磁力研磨，其主要目的是利用行星齒輪機構自轉與公轉的特點，結合二維振動輔助，使工件表面形成高密度的交叉紋路。結果顯示，在最適當的參數組合下，能於12.5分鐘內有效改善不銹鋼表面粗糙度由Ra0.16μm降低至0.032μm，改善率為80%。 最後探討二維振動輔助磁力研磨配合羊毛氈拋光墊，對於不鏽鋼表面粗糙度改善之情況。結果顯示，在最適當的參數組合下能在5分鐘內有效改善不銹鋼表面粗糙度由Ra0.14μm降低至0.03μm，改善率為78.57%。
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石英具有優異性質，但其硬脆特性，傳統加工方式很難在效率與精度二者兼顧，電化學放電加工是以高溫熔融並且蝕刻輔助加工，相當適合於石英材料，WECDM加工系統內絕緣氣膜結構控制不易及加工區域內電解液循環困難，因此，探討WECDM加工機制，開發新加工方式及改善微溝槽表面品質為本論文研究主題。 首先探討流動電解液對加工石英玻璃影響，及氣膜成形特性進行研究，實驗中以石墨粉末之導電特性，分散電化學放電之能量，提升加工後工件表面之精度。並進一步利用碳化矽粉之複合加工方式改善加工效率及精度。實驗結果顯示液滴法電化學放電線切割加工石英玻璃有良好效果，擴槽量及比直性均佳，但表面品質及精度卻無法有效控制。於電解液中加入石墨粉末或加入碳化矽，藉以達到控制精度及改善表面粗度。實驗結果顯示，在相同條件下未加入任何粉末之電解液WECDM加工其表面粗度值Ra＝1.13μm，在加入0.4wt％石墨於電解液時，表面粗度可達到Ra＝0.36μm，改善率為68％；在加入碳化矽5wt％於電解時，表面粗度可達到Ra＝0.22μm，改善率為80％，且在最適當條件下電解液用量極少。證明利用石墨或碳化矽粉之特性在滴定電解液中局部化加工石英玻璃，可有效改善表面品質及減少環境汙染、降低成本、達到1次加工減少加工工序等優點。
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本研究目標為將N型矽晶材料輔以紫外光蝕刻做出多孔矽層，製作出適用於太陽能電池之材料。目前在太陽能電池中，製作種類可分為單晶矽、多晶矽以及非晶矽，其中更以單晶矽的轉換效率最佳，在實驗過程中嘗試以加熱再結晶的方法使多孔矽表面形成一層單晶矽層。因傳統爐管加熱方式所耗費時間較長，故本實驗施以兩種不同加熱方式使他表面產生晶體再結晶，藉由儀器檢測比較不同加熱方式造成的表面結晶品質的差異，在蝕刻時的參數包含時間、濃度、電流、光照以及熱處理時的溫度、時間、環境氣氛，由參數的改變與設定製作出多孔矽材料，再藉由X光繞射去檢測不同數據下晶體結晶的品質，以利往後依需求不同而選取適合的參數及加熱方式。
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晶圓鍵合(Wafer Bonding)是半導體科技產業之關鍵技術，可以廣泛地應用於Silicon On Insulator、Microelectronics、MEMS、3D IC和Optoelectronics等領域。同時由於全球暖化危機，各國都在積極研發節能減碳科技，半導體屬高能源密集產業，更需為綠色環保盡一份心力。因應產業節能與低碳社會需求，本研究目標為:引進熱預算(Thermal Budget)概念作為建立綠色節能的評估標準，進而研發低溫且高強度之晶圓鍵合技術作為評估標地。首先根據熱力學定律及綠色設計原則，設計出晶圓鍵合技術的綠色節能評估指標，可計算製程之熱預算、熱預算比值、能源效率及生態效率等數值。進一步根據表面活化理論及技術，結合HF-Dip化學濕化及Nitrogen Plasma電漿活化法，發展出低溫且高強度晶圓鍵合技術(Green Wafer Bonding)。實驗結果顯示Si/Si鍵合在75 oC，Si3N4/Si3N4在200 oC退火條件，可達到最高鍵合能2500 mJ/cm2 。經熱預算(Thermal Budget)評估比較，結果發現Si/Si (RCA-HF-N2 Plasma)技術有最低的熱預算比及最高的能源效率51.6%；Si3N4/Si3N4 (RCA-HF-N2 Plasma)技術次佳，熱預算比值2，能源效率28.6%。同時經晶圓鍵合技術特性比較，顯示GWB綠色晶圓鍵合技術較傳統晶圓鍵合技術更為節能減碳。從專利分析結果，顯示MEMS、SOI及Optoelectronics為其未來主要應用。本研究最後提出將Si3N4/Si3N4 鍵合技術應用於Smart-Cut製程中，可成功製作出超薄單晶矽薄膜，突破奈米元件製作之溫度限制。本研究成果可提升半導體產業的製程效率及貢獻於節能減碳，未來將可應用於綠色能源科技領域，如熱電能量轉換器、氫儲存器及薄膜太陽電池等。
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隨著製程技術的持續進步與應用面的不斷推新， LED 現已是重要的半導體主流產品之一。商業量產上 LED 的製造方式主要採用金屬有機物化學氣相沉積法。其製程方式主要是通入前驅氣體三甲基鎵和氮氣在晶圓表面藉由高溫載台產生熱裂解，化學反應後沉積一層氮化鎵。氮化鎵的生長過程除了要能調控複雜的化學反應外，如何掌握熱流場使反應源能大面積且均勻地分佈在生長之晶圓表面，也是重要的關鍵。因此對於反應腔體內部熱流場的精準控制，一直是金屬有機物化學氣相沉積法的製程良率與產能提升相當重要因素。 本文以 Aixtron Planetary Reactor G2 以及 G3 反應室作為暫態模擬研究之三維模型，以模擬軟體 ANSYS-Fluent 的架構下進行網格分割及熱流場分析。過往文獻雖然也有專注於行星式的模擬研究，但是卻都沒有將腔體內部的速度場與數值顯完整地呈現出來，因此本文的研究動機即是致力於開創出一種能適用於任何 Planetary Reactor 的模擬方式，以滑移網格的構思出發取代繁雜的動態網格，不需要每個模擬的時間步長 (time step) 都重製網格一次，可大幅度縮減計算時間與計算量，接續透過 Mesh motion 與自行撰寫 Code，清楚地呈現出行星式反應腔體內部完整的動態速度場、流線圖與溫度分佈。因此本文最後以 G2 & G3 腔體進行各三種不同的模擬參數搭配下，成功模擬出各個參數下腔體內部的熱流場分佈情形，其中在高腔壓下形況下會使腔體內部流場不穩定產生渦流，流量過小也會產生渦流，再透過反應源於晶圓上濃度的分佈計算出各個參數下薄膜成長率的變化，論證出無法採用僅公轉下的長率，預測加入自轉後的長晶成長率分佈。
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對於牙科植體骨整合檢測，本研究延續非接觸式電磁激振感應的方法於人工植牙手 術後穩固度監測，檢測方式是利用交互變化的電流訊號輸入電感激振源產生交互變化的 電磁力來激振結構，然後以線性霍爾效應感測器來量測其共振頻率。研究分成兩部分， 第一部分介紹激振源電感的選擇基準和相關原理，以及霍爾效應感測器的原理，再說明 電磁檢測裝置的架構，然後輸入訊號驗證電磁裝置的可行性；第二部分說明體外骨塊實 驗設計及流程，並且與市售檢測裝置Osstell® ISQ 及電容式位移計量測植體的共振頻率 結果作比較。 自然頻率與結構剛性有關，同時也受到質量效應的影響，如果質量增加比剛性要多， 則第一模態的自然頻率會下降；因此，骨塊實驗所增加緻密骨厚度將降低共振頻率，但 是疏鬆骨的楊氏係數增加將使結構剛性變大，第一模態的共振頻率將上升。為了更接近 臨床條件，也進行骨塊側面(頰舌方向)黏貼緻密骨實驗，此時骨塊整體剛性明顯增大， 同時造成結構的共振頻率較難量測。研究結果顯示，所開發非接觸式電磁檢測裝置具可 靠性，然未來仍需小型化及一體化，並進行動物實驗以確定植體骨整合檢測的實際應用 效果。
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光學測角法中，光學內反射相位法運用的是偏振光的特性，具有對環境要求不高、測量範圍可調與體積小等優點，在生產線即時測量與空間受限的場合具有潛在的運用價值。但是目前的光學內反射相位測角法的研究由於普遍使用昂貴的電光調制器等移頻器件，限制了它的應用。鑑於此研究動機，本文通過直接對雷射波長進行調制，以達到外差干涉的效果，實驗驗證了其可行性外並開發了一新型差分共光路光學架構，具有體積小、架構簡單與成本低等優點。 論文中主要進行了兩個光學架構的研究，一個為以驗證性為目的的單光路光學架構，另一個為新型差分共光路光學架構，即在單光路光學架構的基礎上，僅增加一個1/4波片和反射鏡就實現差分光路的效果。研究中通過函數發生器產生調制訊號直接調制雷射波長，旋轉平台角度變化訊息載入全反射相位變化效應下具有光程差的P光和S光的相位，最後運用示波器直接擷取外差訊號相位。 實驗測量結果與理論基本相符合，測量特性分析主要包括靈敏度、解析度、線性化處理、相對折射率因素、相位穩定性與誤差分析。差分共光路光學架構中，除去正入射零點測量，測量範圍約達到10度，靈敏度達到700，解析度達到0.0014度。
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本研究使用光放射光譜儀(OES)監測電漿物種變化，四極柱質譜儀(QMS)監測物種濃度，於電子迴旋共振化學氣相沉積製備非晶矽薄膜之製程。調變的參數為微波功率密度、製程壓力、磁場共振位置、氫稀釋濃度比並輔以FTIR、Detak、E-gun來探討薄膜的結構特性，以少數載子生命週期和微結構因子判斷薄膜品質的好壞。最後將電漿特性與薄膜特性相互比較，以期建構電漿診斷平台。 本研究綜合各參數所推測的良好薄膜品質的參數去成長，藉由光敏感度、R*得知在磁場組態40/12/22 A 、功率密度 1.5 W/cm2、工作壓力10 mTorr其光敏感度達 〖2x10〗^3。由OES量測之Si*/SiH*可作為電子溫度指標。QMS所量測之SiH2/SiH3可做為預測薄膜品質趨勢之方法。 本研究整合OES和QMS，使用SiH2/SiH3為薄膜品質之指標並將Si*/SiH*作為電子溫度指標。最後，以沉積非晶矽薄膜為例，解析ECR電漿沉膜機制。並可利用此結論，在尚未成長薄膜前，就先行營造出有利成長良好特性的薄膜生長環境，藉此減少製程之試誤時間。
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本論文旨在建立一套光電檢測基重系統，此技術開發以非接觸、線上、多點區域、穿透式與驗證之技術，藉以改善量測不織布準確性和製程能力精密度。基本上，不織布基重系統由光源發射器穿透不織布，光傳輸平行於光接收器，利用比爾-朗伯定律，經訊號轉換輸出入介面裝置。 我們首先架設並進行光電檢測系統調整補償，實驗結果顯示經溫度補償後之系統相當穩定，再利用最小平方法找到一可靠有效的電壓值與基重之參數關係方程式，經使用已知不織布基重之量測，結果顯示所量測獲得之基重值與已知值相符。找出適合電壓、基重參數關係方程式，藉由選取三種原料與不同組織，再利用標準試片的實驗模型，求轉換關係方程式，並進行找出適合方程式，並求修正方程式，接著製程精密度與驗證，提昇生產製程穩定性和預測準確度，且有效改善品質與減少基重均勻性的不良率，針對織布檢測使用監督式學習演算法與分段式的方程式，並準確率誤差的比較，進而提出有效自動監督式學習演算法，找出準確量測值。 經由光學近紅外線檢測系統得到光訊號轉換電壓訊號，求修正的關係方程式，再進行基重檢測，並求出適合指數型、連續式最小平方法、分段式最小平方法、監督式學習法、修正方程式等，經求出適合方程式與驗證。其實驗結果監督式學習法，可達良好線上測試，接著定義製程品質能力分析與常態分佈，可降低不織布原料的成本，不織布生產製程速度在120 m/min以下，以1000組樣本，經實驗製程精密度Cp 是1.66，並滿足其條件。因此，應用監督學習法可有效的提升不織布製程之生產能力品質穩定性。